Темная материя: как ученые охотятся за тем, что не видят
Мы живем в мире иллюзий. Все, что мы видим вокруг — звезды, галактики, планеты, — составляет лишь 5% Вселенной. Остальные 95% — невидимая и неисследованная реальность. И большую часть этой скрытой массы составляет темная материя — основа мироздания, которую мы не можем увидеть, но без которой наш мир рассыпался бы в прах.
Эта неуловимая субстанция не испускает и не поглощает свет, из-за чего ее нельзя увидеть в телескоп. Ученые знают о ее присутствии лишь по гравитационному влиянию на видимые объекты: звезды в галактиках вращаются с такими скоростями, которые возможны только при наличии мощного невидимого гравитационного «каркаса». Без этой скрытой массы галактики бы перестали существовать в их современном виде.
Как открыли темную материю
Открытие темной материи стало результатом цепочки догадок и наблюдений, растянувшихся на два столетия. В 1784 году английский священник и естествоиспытатель Джон Мичелл рассчитал, что для тела с радиусом в 500 солнечных тел вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. В письме Королевскому обществу он сделал фундаментальное предположение: «Свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым». Так Мичелл предсказал существование невидимых звезд (сегодня мы называем их черными дырами) и первым научно обосновал возможность существования материи, невидимой за счет гравитации.
Первый практический сигнал появился в 1933 году, когда американский астрофизик швейцарского происхождения Фриц Цвикки, изучая скопление галактик в Волосах Вероники, обнаружил несоответствие: масса, измеренная по движению галактик, оказалась в сотни раз больше видимой. Правда, его вывод о существовании «dunkle Materie» — темной материи — показался современникам слишком фантастичным.
Окончательные доказательства пришли в 1970-х годах с работами американских астрономов Веры Рубин и Кента Форда. Изучая галактику Андромеды, они обнаружили парадокс: в отличие от планет Солнечной системы, где скорости монотонно убывают с удалением от звезды, в галактиках скорости вращения звезд возрастают с удалением от центра. Расчеты показали, что видимого вещества катастрофически мало для удержания галактик — они должны были бы разлететься. Это привело к выводу: каждая галактика погружена в обширное облако темной материи, создающей необходимое гравитационное притяжение.
Так наука пришла к пониманию: видимая Вселенная — лишь верхушка айсберга, а основу мироздания составляет невидимая темная материя.
Что представляет собой темная материя
От простого подтверждения существования темной материи наука перешла к изучению ее природы, пытаясь ответить на вопрос: может ли темная материя быть чем-то большим, чем просто «невидимая масса»?
Исследование гигантского скопления галактик Эль-Гордо принесло сенсационный результат: распределение масс внутри него указало на возможность «самовзаимодействия» темной материи. Ее частицы не просто притягиваются гравитационно, но и могут сталкиваться друг с другом. Если это подтвердится, то будет означать, что у темной материи есть свои законы физики, совершенно отличные от тех, что управляют видимым миром.
Параллельно развивается и другая захватывающая гипотеза. Большинство экспериментов ищут гипотетические частицы темной материи, которые могут быть меньше атома. Но что, если она существует в виде более крупных объектов? Для поиска таких структур предлагается использовать спутник Юпитера Ганимед. Его древняя ледяная поверхность может хранить уникальные следы — кратеры, оставленные не обычными астероидами, а столкновениями с массивными сгустками темной материи.
Эти два подхода демонстрируют, насколько разнообразными могут быть проявления той самой невидимой материи, что составляет основу нашей Вселенной.
Можно ли увидеть темную материю
Сегодня самый наглядный метод «увидеть» темную материю — наблюдать за гравитационным линзированием. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, любая масса искривляет вокруг себя пространство-время. Когда свет от далекой галактики проходит через скопление, заполненное темной материей, его изображение искажается — вытягивается в дуги и кольца.
Ключевой вывод заключается в следующем: количество вещества, необходимое для создания наблюдаемого искривления света, в десятки раз превышает массу всех видимых звезд и газа в скоплении. Анализируя эти искажения, астрофизики с высочайшей точностью картографируют распределение невидимой массы, которая и является темной материей.
Как современные ученые изучают темную материю
В настоящий момент наука ведет охоту за темной материей одновременно на нескольких фронтах, используя принципиально разные подходы. В подземной шахте в Южной Дакоте на глубине более 1,5 км ученые разместили сверхчувствительные детекторы. Эксперимент LUX-ZEPLIN с семью тоннами жидкого ксенона показал: если частицы темной материи и существуют, то взаимодействуют с веществом крайне редко — не чаще раза в 4000 лет. Эти данные, собранные в течение 280 дней наблюдений, были обнародованы летом 2025 года.
Параллельно проект QROCODILE под руководством Цюрихского и Еврейского университетов в Иерусалиме установил мировой рекорд чувствительности для обнаружения сверхлегких частиц. Его детекторы способны фиксировать энерговыделения до 0,11 электрон-вольт. Эта рекордная чувствительность открывает совершенно новые возможности обнаружения крайне легких частиц темной материи.
Еще один путь — создание частиц темной материи в лабораторных условиях. На Большом адронном коллайдере протоны сталкивают с такой силой, что выделяющаяся энергия может порождать новые частицы. Ученые отслеживают дисбаланс энергии и импульса после столкновений — если невидимые частицы темной материи действительно рождаются, они уносят с собой часть энергии, и именно этот «дефицит» становится главной уликой. Такой подход позволяет искать темную материю в экстремальных условиях, недостижимых в других экспериментах.
Охота за темной материей — это величайшее научное приключение человечества, попытка разгадать главную загадку мироздания. Мы прошли путь от первых догадок до экспериментов, но по-прежнему стоим перед фундаментальным вопросом: что составляет 95% нашей Вселенной?
